（航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，南昌 330024）

先進復合材料以其高比強度、比模量，耐腐蝕性能優(yōu)越，抗疲勞性能好及結構整體化、可設計性等優(yōu)勢被廣泛應用于航空航天領域，一架飛機上的復合材料用量已經(jīng)成為衡量其先進性的重要指標[1–5]。具有高效率、高質(zhì)量和低成本優(yōu)點的自動鋪帶技術則是復合材料能夠廣泛應用的關鍵技術之一，其應用大大提高了復合材料結構件的成型效率、質(zhì)量穩(wěn)定性和材料利用率[6-9]。20世紀60年代，美國Vought 公司開發(fā)出第一臺自動鋪帶機并用于F16 戰(zhàn)斗機的復合材料機翼部件制造。20世紀80年代以后，隨著商用飛機的發(fā)展，自動鋪帶技術開始廣泛應用于商業(yè)飛機的制造領域。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展與完善，自動鋪帶設備和技術在美國和歐洲已經(jīng)相當成熟，并大規(guī)模應用于復合材料構件的制造，如F22 機翼蒙皮，C17 運輸機的水平安定面蒙皮，波音777和空客 A340 機翼、水平和垂直安定面蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等[6,10-12]。另外最新的民用飛機波音787 水平尾翼翼面、SC47-48 機身段長桁、SC43 機身段長桁、SC45中央翼盒和機翼翼梁，空客A350 機翼、中央翼盒、水平尾、垂直尾翼蒙皮等均采用了自動鋪帶技術。但國內(nèi)自動鋪帶技術應用仍然處于比較初級的階段，南京航空航天大學于2005年率先成功研制了第一臺原理樣機，為國內(nèi)自動鋪放技術的發(fā)展做出了貢獻[6]。另外一些航空制造企業(yè)采購了國外成熟的自動鋪帶機也開展了一些前期工藝技術研究。造成自動鋪帶技術在國內(nèi)發(fā)展緩慢有多方面原因，裝備技術發(fā)展落后、材料應用開發(fā)緩慢、技術技能人員儲備不足等，除此之外，還有一個重要原因是現(xiàn)有的復合材料制造多以手工為主，在向自動化制造轉(zhuǎn)型時存在很多問題，轉(zhuǎn)型成本較高，比如現(xiàn)有的復合材料成型工裝按照手工鋪貼方式制造，不符合自動鋪帶制造的要求，在采用自動化鋪貼時，設備與工裝存在一個匹配性及鋪貼干涉問題。

本文選取一個民機試驗件復合材料手工鋪貼工裝為研究對象，通過自動鋪帶編程技術對零件不同復合材料鋪層進行特定的分析、模擬、優(yōu)化，最終解決現(xiàn)有手工鋪貼工裝自動鋪放適應性問題，順利實現(xiàn)零件自動化鋪貼，也為傳統(tǒng)手工鋪貼工裝采用自動化鋪貼提供一條解決途徑，有利于促進自動鋪帶技術在批量型號上的應用。

1 產(chǎn)品對象及設備信息

選取一種典型的手工鋪貼工裝，其與自動鋪貼工裝主要區(qū)別見表1。

圖1為工裝零件示意圖，其中圖1（a）為零件工裝結構，零件邊緣線外一般順型預留約30mm余量。但是，要采用自動鋪帶機鋪貼，一般工裝的零件邊緣外沿型面曲率順延約1個料帶寬的余量，一般為150～300mm，不同鋪貼料帶寬要求不一樣，以滿足鋪帶頭逼近時壓輥輥壓支撐需求（圖1（b））。圖1（c）為零件頂視圖，尺寸1936mm×1230mm，整體鋪層為16層，其中1～4層為整體鋪層，5～12層為交替插層，13～16為整體鋪層，鋪層設計方向主要有0°、45°、90°、–45°。

鋪帶設備為M.Torres 新一代自動鋪帶機，設備行程18m×7.8m×1.5m，A為±25°，C為±190°。鋪帶材料選用成熟XX531/XX800TH（150mm、75mm）環(huán)氧樹脂預浸料，材料黏度適中，材料與襯紙黏性較好，卷料較為平整，適宜自動鋪放要求。

該自動鋪帶機工作原理如圖2所示，龍門結構（X、Y、Z）運動控制空間位置，鋪帶頭完成預浸料材料的送料、切割、收卷及檢測等功能。鋪帶頭在工件起始位置使用壓靴施壓于襯紙上，將材料鋪貼至模具表面，如圖2（b）所示。鋪貼啟動后一定距離（可設定）壓輥與壓靴進行交換，如圖2（c）所示，采用壓輥進行鋪貼以獲得更大的鋪貼壓實力及更好的鋪貼效果，同時將材料與襯紙分離，完成鋪貼過程，如圖2（d）所示。這種工作原理和結構形式對于鋪貼工裝結構形式有一定要求，工裝型面需要平緩漸變過渡，不能出現(xiàn)突變轉(zhuǎn)角等結構，否則容易產(chǎn)生干涉。

圖1 工裝及零件示意圖Fig.1 Schematic diagram of tooling and parts

圖2 鋪帶機結構及工作示意圖Fig.2 Structure and working diagram of automatic tape laying machine

表1 手工鋪貼工裝與自動鋪帶工裝主要設計區(qū)別Table1 Main design difference between hand-laid and automatic tape laying tooling

2 自動鋪帶編程及分析優(yōu)化

以不同鋪放角度展開分析和驗證。

2.1 0°方向編程及優(yōu)化

通過圖3零件數(shù)模分析可知，圖3（a）零件為單曲率等直件，左右對稱，零件邊緣角度為25.938°，超過設備25°A擺角極限，采用一邊對齊方式進行編程，會導致另一邊角度超程。通過調(diào)整起始點（Starting Point）位置，將0°料帶按照零件型面對稱分布鋪貼，如圖3（d）所示，右側鋪帶路徑軌跡中心線向上移動，左側向下移動，擺角減小，最終達到24.5°，使得兩側極限擺角均在設備鋪貼范圍之內(nèi)，完成編程及后置處理。

2.2 45°方向編程及優(yōu)化

如圖4所示，由于手工鋪貼工裝沒有預留設備鋪貼余量，45°鋪貼時，在工裝兩側開始鋪貼容易造成設備壓靴壓輥交替時壓輥空間不足，造成鋪貼干涉（圖4（a）白色虛線內(nèi)所示），為了盡量避免壓輥過度變形，程序中調(diào)整部分料帶鋪貼方向（圖4（c）白色虛線內(nèi)所示），將兩側的料帶鋪貼起始位置設置在工裝0°方向，避開工裝兩側平臺干涉區(qū)（圖4（b）白色虛線內(nèi)所示），使鋪貼更為順利、高效。由于工裝對稱，–45°與45°編程策略相同。

2.3 90°方向編程及優(yōu)化

90°鋪放存在問題最大，采用零件邊界進行編程鋪貼時，壓靴與壓輥交換時壓輥壓在工裝兩側平臺上，超過壓輥可適應變形行程，設備由于干涉停止運行。為了順利進行鋪貼，重新設計90°鋪層，將零件鋪貼邊緣擴展至兩側平臺上，同時將壓靴及壓輥交換點遷移至平臺上（圖5），讓壓靴、壓輥順利交換，避免壓輥與工裝干涉而停機，鋪貼完成后將鋪貼余量切除。

3 零件自動鋪帶驗證

根據(jù)優(yōu)化程序進行鋪貼，可以順利進行各個角度鋪貼（圖6）。0°鋪放時A 擺最大位置沒有超過極限位置，如圖6（a）和（b）所示?！?5°鋪貼通過鋪貼方向的改變可以盡量避免在模具左右兩側起始鋪貼造成對壓輥的壓迫，如圖6（c）和（d）所示。90°鋪貼根據(jù)編程優(yōu)化策略，改變鋪貼起始位置，使壓靴和壓輥在模具兩側平臺上交換，避免曲面上交換造成的壓輥干涉，鋪貼比較順利，如圖7所示。

圖4 45°編程分析Fig.4 Programming analysis in 45°

圖5 90°編程分析Fig.5 Programming analysis in 90°

圖6 0°、45°自動鋪放圖Fig.6 Automatic laying picture in 0° and 45°

圖8展示一些典型鋪層的實際鋪貼效果，圖8（a）顯示45°鋪貼邊緣平整，端面切割誤差在0.5mm 以內(nèi)（圖8（e））；圖8（b）顯示內(nèi)部插層的鋪貼圖，鋪貼平整，輪廓清晰，無鋪貼缺陷；圖8（c）和（d）顯示，0°、90°鋪貼間隙比較均勻，在1.5mm 以內(nèi)整體鋪貼質(zhì)量良好，滿足工藝要求。

4 零件固化及無損檢測

將鋪貼后零件進行熱壓罐固化成型處理，固化參數(shù)為80℃加壓至0.6MPa,升溫至（130±5）℃，保溫2h，再升溫至180～190℃保溫3h，最后≤3℃/min 降溫至60℃以下出罐脫模，固化后零件表面質(zhì)量良好。隨后采用汕超CTS-9008 設備進行無損檢測，制件內(nèi)部質(zhì)量合格，無空隙、氣泡和分層等缺陷，滿足質(zhì)量要求（圖9）。

圖7 90°自動鋪放圖Fig.7 Automatic laying picture in 90°

圖8 典型鋪層鋪放效果圖Fig.8 Typical layer tape laying renderings

5 結論

圖9 固化后零件效果圖Fig.9 Cured part renderings

通過對自動鋪帶編程技術的分析及優(yōu)化，可以在手工鋪貼模具上順利實現(xiàn)某型號壁板蒙皮自動鋪帶。同時基于自動鋪帶編程技術分析總結，傳統(tǒng)手工鋪貼模具應用自動鋪帶機鋪貼時采取相應策略，是可以實現(xiàn)鋪放的，即自動鋪帶技術在現(xiàn)有復合材料手工鋪貼工裝上應用具有可行性。

（1）通過鋪貼中心線調(diào)整，盡量使零件0°左右兩側極限位置對稱，如果工裝非對稱結構，可以通過旋轉(zhuǎn)工裝抬高低側，提高設備A擺角的利用，實現(xiàn)設備鋪放的可達性。

（2）通過零件的鋪貼面優(yōu)化及選擇，調(diào)整設備鋪貼區(qū)域，可以規(guī)避由于現(xiàn)有手工鋪貼工裝的鋪貼干涉。

（3）通過鋪貼路徑方向、路徑的選擇及優(yōu)化，可以規(guī)避鋪貼干涉，提高鋪貼效率。